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太空电梯畅想曲

冯杰

2023年03月14日 01:23

王诗雨
光明日报( 2023年02月23日 16版)

电梯能替代火箭把人和物资送往太空吗?这可不是电影《流浪地球2》独有的“狂想”!早在一百多年前,提出火箭构想的科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基,就几乎同时提出了太空电梯的构想。可现在,火箭已很常用,太空电梯却还停留在科幻中,它还能成真吗?

从太空中“扔”下绳索

“女士们,先生们,太空电梯即将达到失重空间站,请做好准备,从右侧梯门下梯。”如果有一天,人们听见这样的播报声,会不会以为是在梦里?

20世纪初,被誉为俄罗斯“航天之父”的康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基可真有这样的梦想。他知道,宇宙空间中反作用力是移动的唯一方法,为此,他提出过几大构想来奔赴外太空。其中之一是用液体作为火箭燃料,将两节以上的火箭串联起来,组成一列多级火箭以提高火箭的速度。

这一设想,在一百多年后的今天,已经是航天领域的重要应用。有统计数据显示,2022年全球火箭入轨发射共计186次。中国以64次发射列第二,占全球的34.4%。入轨发射最多的火箭是SpaceX的猎鹰系列,排列第二位的为中国长征系列。

火箭成真,可康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基在1895年提出的另一个设想,却至今仍未实现。

这个设想,其实很朴素——在地面上建设一座高到超乎想象的铁塔,一直建到地球同步轨道为止,在铁塔内架设电梯,人们便可以搭着电梯进入外太空。

这就是太空电梯的雏形。

这样的铁塔结构,是不是似曾相识?没错,它就是康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基,参观法国埃菲尔铁塔时受到的启发。这样的构想,也与大家对电梯的认知最为接近,但是,有一个最大的问题——地球同步轨道高度为35786千米,而目前世界上最高的建筑,是位于迪拜的哈利法塔,高度只有828米。

差距太过悬殊,就像巨人和蚂蚁。这样一来,建一个太空电梯就像痴人说梦了!

还有没有别的办法?想一想,假如把一只风筝放到250米的高空,除了在地面上奔跑,不断放长线绳,将风筝放飞到空中外,还能怎么做?能不能坐直升机到更高空,将风筝扔出,慢慢放线,让风筝到达250米的空中?

虽然这是个很不严谨的类比,但它逆向思维,提供了一个思路。如果想要建造一座直达外太空的电梯,最重要的就是需要提供绳索轨道,既然从地面向上建造不现实,那能不能从太空中“扔”下绳索,就像扔风筝线一样?

也就是说,可以先发射一颗地球同步卫星,然后从卫星上伸出绳索“垂”到地面上,在地面一端固定,形成太空电梯的运行轨道。

这就不用建塔了,只需“几根绳索”就行了。

这样一想,建造太空电梯,就显得不那么镜花水月,如今的太空电梯计划,也都是基于这个模型。

寻找最强缆绳材料

在众多太空电梯计划中,最受人瞩目的,是日本在2012年宣布的太空电梯计划。

当时,尤其擅长建高塔的日本著名建筑公司大林组,宣布要投资100亿美元建设太空电梯,预计电梯时速200公里,单程需要7天,计划2025年左右在赤道附近的海上开工,2050年左右落成运营。

然而,距离计划启动已经过去了10年之久,前景似乎不容乐观,就连大林组公司内部一直参与太空电梯研发的高级工程师石川洋二都坦言:这个项目越是尝试,就越是困难。

首先,不考虑外部因素,太空电梯主要由四部分构成:

电梯的厢体、厢体上下运动所需的缆绳轨道、用于在地球端固定缆绳的海上基地,以及配重。

为什么还需要配重呢?

在太空电梯设想中,是要从同步卫星上“扔”下缆绳,一直“垂”到地球上。可随着缆绳逐渐下放,其受到的万有引力就会大于离心力,于是缆绳会对同步卫星产生向地球的拉力,这岂不是缆绳放着放着,就会把原本稳定的同步卫星拽下来?

为了解决这个问题,在向下放缆绳的同时,就必须向上“扔”东西,产生一个向外的拉力,以此抵消缆绳对卫星向地球的拉力。向上“扔”的东西必须足够重,能够稳住卫星,这就是配重。

但新问题又来了!

缆绳,实际并不是静止的状态,而是在随着同步卫星一起高速转动,所需的巨大向心力可能会超过材料的抗拉极限,导致缆绳自己把自己甩断。

那么,太空电梯对材料抗拉能力的要求,到底有多苛刻?

在地心参考系中,将缆绳简化成圆柱状,密度是ρ,横截面是S,一端固定于地球同步卫星,另一端固定于赤道海上基地。在同步卫星轨道附近的一小段缆绳,不考虑各种额外的载重,它受到的拉力可以这样计算:

如果用钢作为太空电梯的缆绳,代入钢的密度值,可以估算得到钢需要承受的最大应力至少要达到400 GPa。但实际上,钢的抗拉强度只有400MPa,也就是说,是钢能承受的最大应力的400倍。

那么,即便是用钢来做缆绳,也会在强大的引力作用下拉伸变形。

这是异常棘手的问题——如何找到密度小,但抗拉强度大的材料?

目前,最有可能满足上述要求的是碳纳米管。这是由碳原子组成的管状结构纳米材料,是目前已知的理论上力学强度最高和韧性最好的材料。

碳纳米管的密度大约是1700 kg/㎡,如果用碳纳米管做太空电梯的缆绳,碳纳米管的抗拉强度至少要达到90GPa。

目前,在实验中能够合成的碳纳米管,其抗拉强度可以达到200 GPa,而具有理想结构的单壁碳纳米管,其抗拉强度可以达到800GPa。

这样看来,只要生产出几万公里长的碳纳米管,把它从同步卫星上“悬挂”下来,固定到赤道附近的海上基站,问题不就迎刃而解了!

然而,探索太空电梯的道路,注定崎岖不平。

1991年,日本科学家饭岛澄男发现并命名了碳纳米管,给陷入瓶颈的太空电梯设想注入了信心,许多研究团队都重新拾起了太空电梯计划。

可是,大家很快就发现,由于制备工艺的限制,实际能够制备出的碳纳米管长度只有几毫米,且存在大量结构缺陷。

这似乎又走到了死胡同。

但科学家可不会轻易放弃。

2013年,清华大学魏飞教授团队,将生长每毫米长度碳纳米管的催化剂活性概率提高到99.5%以上后,成功制备出了单根长度超过半米,且具有完美结构的碳纳米管。

目前,他们正在研制长度在千米级以上的碳纳米管。

太空天梯,似乎迎来了一线曙光。

动力来源、躲避卫星,难题要逐一攻克

此前提出的这些模型,其实都是最简单的物理模型,一旦要考虑项目建设的可行性,就必须要去面对和解决更多实际问题。

例如,碳纳米管做的缆绳,时间久了会不会磨损?能用很长时间吗?毕竟,如果缆绳很容易破损,那这电梯即便建好了,也不经用,实在不具备良好的性价比。

为了检验碳纳米管的耐久性,日本大林组建筑公司于2015年,将碳纳米管样品送到了位于地表上空400公里附近的日本实验舱内,放置在太空中两年后,这一样品又被带回地球。研究人员分析发现,碳纳米管的表面已经被原子状态的氧破坏了。

要知道,400公里高度是大气层中的热层,空气已经极其稀薄,即便是这样,两年的时间也已破坏了碳纳米管。

那么,可以想象,在地表附近氧气丰富的对流层,碳纳米管缆绳会面临着更加严峻的考验——除了被原子状态的氧破坏,它还需要面对风吹日晒雨淋,甚至可能碰上闪电、飓风等各种极端气候。

提高缆绳耐久性,又是困难重重的研究。虽然探索的步伐不会停止,但谁也不能保证科研会一帆风顺。

除了耐久性问题以外,还有一大堆难题,等待着科学家去解决。

例如,如何保证电梯厢体有足够的动力支持,可以一直从地面升到太空站?如果升到一半,太空电梯的动力系统突然失灵怎么办?那简直就是高空求生惊悚片现场,想想就令人不寒而栗。

再例如,太空现在有点拥挤——不仅仅有许多卫星,还漂浮着很多卫星解体产生的太空碎片和陨石。如何让太空电梯自动躲避太空碎片和一些可能撞上来的卫星?一旦躲避不及,这后果,也难以想象。

建造太空电梯,这真的是越尝试,越困难。

既然如此困难,为什么科学家还一直执着于这几乎不可能的设想呢?

最大的动力,就是要降低奔赴太空的成本。

目前的国际商业卫星发射中,每千克载荷的运输成本在2000~2万美元。普通人想要去太空旅行一趟,至少需要10万美元。如果太空电梯可以建设成功,不考虑初期建设成本,根据日本大林组建筑公司的预估,每千克载荷的运输成本约为200美元——也就是说,只需要花费7万左右人民币,就可以去太空旅行了。

建成太空电梯后,除能让太空观光变得触手可及,还能够低成本地在地球和太空间运输物资。

这也许会成为人类太空探索史上,最动人心魄的转折点。

仰望天空,想象一下。有生之年,我们也许将看到一座宏大的天梯,穿破云层,横贯天地。

(作者系中国科学院物理研究所博士生)


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2023年03月14日 09:24
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